【摘要】：近年來,可拉伸電子設備在緊密人機交互領域的應用開始超越傳統技術。在各種系統中,電子元器件與日常服裝相結合的可穿戴智能紡織品(Smart Textiles)展現出了獨特的優(yōu)勢。高速發(fā)展的紡織與電子制造工藝不斷推動著普通服飾向著更大面積、更高集成度的功能化方向前進。目前可穿戴智能紡織品的設計思路已經比較清晰,主要包括:(1)柔性/可拉伸基底;(2)導電電極;(3)傳感材料以及(4)封裝材料,必須特別注意每個組件在整體器件中所扮演的角色、它們之間的交互作用以及這些交互如何影響系統的性能�；谶@種設計理念與制備方法所得到的各種可穿戴電子系統已經在軍事、公共安全、醫(yī)療保健、太空探索、體育健身等領域獲得了廣泛的應用。本文著重討論了基底材料與導電材料的柔性/可拉伸性的實現策略,闡述了多種將導電材料復合集成到基底織物中去的工藝手段,并分析各種方法的優(yōu)劣之處,從獲得較高的電導率和穩(wěn)定的拉伸性能出發(fā),采用簡單安全的制備手法,設計了一種基于彈性納米纖維紡織品的透氣的、可拉伸的可穿戴電子器件系統。該系統通過將納米銀線集成到纖維織物中來制備電極與導電通路,穿著舒適,適合長期佩戴。主要內容包括以下幾個方面:1.利用靜電紡絲工藝制備了基于熱塑性彈性體的納米纖維無紡布,纖維布孔隙直徑在20-30μm范圍內,纖維與纖維間存在較強的點結合,且表面光滑平整,克服了傳統織物表面凹凸不平和與器件工藝兼容性差的固有缺陷,電紡材料選用熱塑性聚氨酯,其具有良好的物理力學性能和生物相容性,與皮膚的親和性好,這為發(fā)展可穿戴電子器件提供了一種理想的材料選擇。2.采用噴涂法在納米纖維布上制備了圖案化的納米銀線電極,提出銀線長度對于沉積導電網絡的性能影響,包括其微觀形貌,導電性能以及外部形變條件下的性能衰減等,實驗利用多元醇法制備納米銀線,通過調節(jié)參數得到平均長度在31.9±1.2μm和67.6±1.4μm的兩種銀線,其中長銀線裝配的電子纖維導體在銀線單位面積負載到達40μg/cm2即能獲得4Ω/sq的面電阻,承受外力拉伸30%應變1000次后電阻僅僅上升了 2.5倍,遠遠優(yōu)于短銀線,揭示了納米銀線與彈性體纖維的協同組裝效應,為納米纖維無紡布上功能電子器件的加工提供了重要的科學依據。并且制備得到的導電纖維布的水汽透過速率為9.5 g·h-1·4·m-2,處于人體典型經表皮失水率范圍內,這使得該設備具備較高的人體穿著舒適度。3.論文制備了具有肌肉電信號監(jiān)測功能的原型機器,實現了對生理信號的穿戴檢測,將采集電極與商用Ag/AgCl凝膠電極進行比較,該器件的皮膚/電極接觸阻抗略高,所收集到的信號顯示出明顯的肌肉收縮特征,信噪比達到17.1dB。長期佩戴12 h后,未出現凝膠電極帶來的皮膚升溫紅腫問題,并且仍然保持了較高水平的信號采集能力。本文通過對多通道的肌電信號進行記錄、分析,采用移動窗口法進行活動段信號的截取,利用Python內置的XGboost模塊進行學習訓練,成功對腕部動作進行準確識別,展示了該器件在可穿戴技術領域的應用潛力。
【圖文】：

捷的人機交互過程中傳遞更為復雜的電子信號，這己經成為了智能電子設備逡逑發(fā)展的大趨勢，ＩＭ］這種需求推動了可穿戴電子技術作為一項新技術的發(fā)展。逡逑圖１．１展示了一系列常見的可穿戴電子設備，這些功能多樣的電子器件，不僅逡逑豐富了人們的日常生活，還能通過監(jiān)測身體狀況實時地提供健康信息，尤其是逡逑將這項技術與新興的物聯網（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ邋ｏｆ邋Ｔｈｉｎｇｓ，邋ＩｏＴ）技術相結合，能實現人、逡逑數據、信息和設備的有機結合。逡逑．\l？．童‘逡逑．：、？丫邐：１置及．逡逑ＩＩ邋＾逡逑圖１．１可穿戴電子器件的廣泛應用［Ｍ］逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｔｈｅ邋ｗｉｄｅ邋ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｗｅａｒａｂｌｅ邋ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ邋ｄｅｖｉｃｅｓ邋Ｉ１＂４】逡逑１逡逑

一些本質上具備柔性／可拉伸性的材料，比如彈性薄膜、液態(tài)金屬、離子逡逑液體、導電聚合物和有機半導體，己經在柔性電子領域得到了廣泛的研究和應逡逑用。尤其是有機半導體和導電聚合物與“卷對卷”技術的結合（見圖１．２），，邋［９７１極逡逑大地促進了大面積電子器件的規(guī)�；a，其中基于有機發(fā)光二極管的柔性逡逑顯示器己經投入商用。另外，鎵／銦在共晶點附近按一定比例混合能夠得到常溫逡逑下呈液態(tài)的金屬導體，由于其特殊的物質狀態(tài)，液態(tài)金屬能夠承受較大變形而逡逑不損失電導性，但其應用往往伴隨著復雜的制造工藝，防止液態(tài)導體在使用過逡逑程中發(fā)生泄漏是需要考慮的一大問題，如圖丨．３，邋Ｑｉａｎ邋Ｗａｎｇ使用冷凍相變處理逡逑將打印的液態(tài)金屬電路轉移到聚二甲基硅氧烷（ＰＤＭＳ）襯底中，用于柔性電子逡逑設備的制造，獲得了不錯的效果。１９６１除此以外，還可以將本身不導電的彈性體逡逑與金屬顆粒、碳材料等導電填充物進行復合
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.1;TP368.33

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本文編號：2635830